Страница 165 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. Охарактеризуйте химические свойства углерода. Напишите по два уравнения реакций, в которых чистый углерод является:

а) окислителем;

б) восстановителем.

Углерод (C) — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы IV группы), второго периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 6. Электронная конфигурация атома углерода: $1s^2 2s^2 2p^2$. На внешнем электронном слое находятся 4 валентных электрона.

В химических соединениях углерод может проявлять степени окисления от -4 до +4. Эта двойственность окислительно-восстановительных свойств является ключевой характеристикой углерода. В виде простого вещества углерод при обычных условиях довольно инертен, но при высоких температурах вступает в реакции со многими веществами: металлами, неметаллами и сложными веществами (оксидами, кислотами).

В зависимости от того, с каким элементом реагирует углерод — более или менее электроотрицательным, — он может выступать как в роли восстановителя, так и в роли окислителя.

а) Углерод является окислителем

Углерод проявляет окислительные свойства, когда взаимодействует с менее электроотрицательными элементами, такими как металлы и водород. В этих реакциях углерод принимает электроны, и его степень окисления понижается от 0 до отрицательных значений (например, -4).

Пример 1: Взаимодействие с металлами.

При сплавлении с алюминием углерод образует карбид алюминия. Углерод принимает электроны от алюминия, его степень окисления изменяется с 0 до -4. $$3C^0 + 4Al^0 \xrightarrow{t^\circ} Al_4^{+3}C_3^{-4}$$

Пример 2: Взаимодействие с водородом.

При высокой температуре, давлении и в присутствии катализатора углерод реагирует с водородом, образуя метан. Углерод является окислителем, принимая электроны от атомов водорода. $$C^0 + 2H_2^0 \xrightarrow{t^\circ, p, Ni} C^{-4}H_4^{+1}$$

Ответ: $3C + 4Al \rightarrow Al_4C_3$; $C + 2H_2 \rightarrow CH_4$.

б) Углерод является восстановителем

Восстановительные свойства углерод проявляет в реакциях с более электроотрицательными элементами (например, кислородом, галогенами, серой), а также со сложными веществами-окислителями (оксидами металлов, кислотами-окислителями). В этих реакциях углерод отдает электроны, и его степень окисления повышается от 0 до +2 или +4.

Пример 1: Взаимодействие с кислородом (горение).

При сгорании в избытке кислорода образуется диоксид углерода (углекислый газ). Углерод отдает электроны кислороду, его степень окисления повышается с 0 до +4. $$C^0 + O_2^0 \xrightarrow{t^\circ} C^{+4}O_2^{-2}$$

Пример 2: Взаимодействие с оксидами металлов (карботермия).

Углерод используется в металлургии для восстановления металлов из их оксидов. Например, при восстановлении меди из оксида меди(II) углерод отдает электроны ионам меди. $$C^0 + 2Cu^{+2}O^{-2} \xrightarrow{t^\circ} 2Cu^0 + C^{+4}O_2^{-2}$$

Ответ: $C + O_2 \rightarrow CO_2$; $C + 2CuO \rightarrow 2Cu + CO_2$.

6. Напишите уравнения реакций восстановления углём свинца из оксида свинца(II), железа — из оксида железа(III), меди — из оксида меди(I). В каждом случае назовите окислитель и восстановитель.

Восстановление углём свинца из оксида свинца(II)

Уравнение реакции: $2PbO + C = 2Pb + CO_2$.

Свинец ($Pb$) понижает степень окисления с +2 до 0, принимая электроны, поэтому оксид свинца(II) ($PbO$) является окислителем. Углерод ($C$) повышает степень окисления с 0 до +4, отдавая электроны, поэтому он является восстановителем.

Ответ: $2PbO + C = 2Pb + CO_2$; окислитель — $PbO$ (оксид свинца(II)), восстановитель — $C$ (углерод).

Восстановление углём железа из оксида железа(III)

Уравнение реакции: $2Fe_2O_3 + 3C = 4Fe + 3CO_2$.

Железо ($Fe$) понижает степень окисления с +3 до 0, принимая электроны, поэтому оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) является окислителем. Углерод ($C$) повышает степень окисления с 0 до +4, отдавая электроны, поэтому он является восстановителем.

Ответ: $2Fe_2O_3 + 3C = 4Fe + 3CO_2$; окислитель — $Fe_2O_3$ (оксид железа(III)), восстановитель — $C$ (углерод).

Восстановление углём меди из оксида меди(I)

Уравнение реакции: $2Cu_2O + C = 4Cu + CO_2$.

Медь ($Cu$) понижает степень окисления с +1 до 0, принимая электроны, поэтому оксид меди(I) ($Cu_2O$) является окислителем. Углерод ($C$) повышает степень окисления с 0 до +4, отдавая электроны, поэтому он является восстановителем.

Ответ: $2Cu_2O + C = 4Cu + CO_2$; окислитель — $Cu_2O$ (оксид меди(I)), восстановитель — $C$ (углерод).

7. Какой объём углекислого газа, измеренный при н. у., образуется при окислении 6 г угля:

а) концентрированной серной кислотой;

б) концентрированной азотной кислотой;

в) при сжигании такого же количества угля? Решите задачу устно и мотивируйте свой ответ.

Мотивация устного решения заключается в том, что во всех трех случаях окисления углерода до высшей степени окисления +4 продуктом является углекислый газ ($CO_2$). Во всех трех реакциях из 1 атома углерода образуется 1 молекула углекислого газа, то есть стехиометрическое соотношение между исходным углеродом и конечным углекислым газом составляет 1:1. Поскольку исходная масса, а значит и количество вещества углерода, во всех трех случаях одинаковы, то и количество вещества, а следовательно и объем (при одинаковых условиях) образовавшегося углекислого газа, будет одинаковым. Проведем подробные вычисления для подтверждения этого вывода.

Дано:

$m(C) = 6$ г

Условия: нормальные (н. у.), следовательно, молярный объем газа $V_m = 22.4$ л/моль.

Найти:

$V(CO_2)$ в случаях а), б), в) — ?

Решение:

1. Сначала найдем количество вещества углерода (C), которое вступает в реакцию. Молярная масса углерода $M(C) \approx 12$ г/моль.

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{6 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

2. Теперь рассмотрим каждую реакцию и найдем объем образовавшегося углекислого газа ($CO_2$).

а) концентрированной серной кислотой

Уравнение реакции окисления углерода концентрированной серной кислотой:

$C + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$

Из уравнения реакции видно, что из 1 моль углерода образуется 1 моль углекислого газа. Соотношение количеств веществ: $n(C) : n(CO_2) = 1:1$.

Следовательно, количество вещества $CO_2$ равно количеству вещества $C$:

$n(CO_2) = n(C) = 0.5 \text{ моль}$

Найдем объем углекислого газа при нормальных условиях (н. у.):

$V(CO_2) = n(CO_2) \times V_m = 0.5 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} = 11.2 \text{ л}$

Ответ: 11.2 л.

б) концентрированной азотной кислотой

Уравнение реакции окисления углерода концентрированной азотной кислотой:

$C + 4HNO_3(конц.) \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$

Из уравнения реакции также следует, что из 1 моль углерода образуется 1 моль углекислого газа. Соотношение количеств веществ: $n(C) : n(CO_2) = 1:1$.

Следовательно, $n(CO_2) = n(C) = 0.5 \text{ моль}$.

Объем углекислого газа будет таким же:

$V(CO_2) = n(CO_2) \times V_m = 0.5 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} = 11.2 \text{ л}$

Ответ: 11.2 л.

в) при сжигании такого же количества угля

Сжигание угля (в данном случае чистого углерода) — это его реакция с кислородом. Уравнение реакции горения:

$C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2\uparrow$

Из уравнения реакции видно, что из 1 моль углерода образуется 1 моль углекислого газа. Соотношение количеств веществ: $n(C) : n(CO_2) = 1:1$.

Следовательно, $n(CO_2) = n(C) = 0.5 \text{ моль}$.

Объем углекислого газа также не изменится:

$V(CO_2) = n(CO_2) \times V_m = 0.5 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} = 11.2 \text{ л}$

Ответ: 11.2 л.